KR100724985B1 - 편광 변조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평전기장과 dual frequency 액정을 이용하여 빛의 편광 상태를 제어하는 편광 변조 장치에 관한 것으로, 수평 전기장과 dual frequency 액정을 이용하여 인가된 전압과 주파수에 따라서 액정분자의 배열을 조절하여 액정 셀에 입사된 빛의 편광 상태를 제어하는 편광 변조 장치를 제작할 수 있다.

편광 변조, dual frequency 액정, 수평전기장

Description

편광 변조 장치{Polarization Modulation device}

도 1은 제 1 실시예에 따른 수평전기장을 기반으로 dual frequency 액정을 이용한 편광 변조 장치 단면도.

도 2는 dual frequency 액정에 인가된 전압과 주파수에 따라 유전율 이방성이 변함에 따른 액정 방향자의 이동을 나타내는 평면도.

도 3a는 λ/2의 위상 지연차를 가질 때 빛의 편광 변화도.

도 3b는 φ<45°일 때 빛의 편광 변화도.

도 4는 λ/4의 위상 지연차를 가질 때 빛의 편광 변화도.

도 5는 제 2 실시예에 따른 순수한 수평 전극 구조를 갖는 편광 변조 장치 단면도.

본 발명은 편광 상태를 변조시키는 장치(Polarization modulator)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평전기장을 이용한 방식으로 셀 내부에 dual frequency 액정을 주입하여 인가된 전압과 주파수에 따라서 액정분자의 변화를 조절하여 액정 셀에 입사된 빛의 편광 상태를 제어하며 dual frequency 액정은 특정 주파수에서는 유전율 이방성이 양이 되고, 또 다른 특정 주파수에서는 유전율 이방성이 음이 되는 것을 응용하여 입사된 광의 편광 상태를 변조시키는 장치에 관한 것이다.

수평전기장을 이용하고 액정의 꼬임 배열에 따라서 빛의 투과율을 조절하여 화면을 구현하는 액정 디스플레이가 상용화되고 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 본 발명을 디스플레이를 구현하기 위한 장치는 아니며 입사된 빛의 편광 상태를 변조시키는 장치로서 액정 디스플레이와는 다르다. 또한 종래의 수평전기장을 이용한 디스플레이에는 유전율 이방성이 양 또는 음인 액정을 사용하는 반면, 본 발명은 dual frequency 액정을 사용함으로써 인가전압의 특정 주파수에 따라 유전율 이방성을 양, 음 모두 구현이 가능하며 구동 방법이 상이하다.

또한 최근 광통신의 급속한 성장으로 인해 광섬유를 통해 적은 용적에 다량의 데이터 고속으로 보내는 대용량의 디지털(digital) 신호를 장거리 전송하는 데에 많이 사용되고 있다. 광통신의 데이터 전송방법에는 전송하고자 하는 데이터를 채널별로 진폭 변조하여 광신호를 보내는 방법이 있다. 또한 최근에는 전송하려는 데이터를 편광 시켜 전송 선로상에서 채널 정보를 정확하게 감지할 수 있고, 데이터 신뢰도 역시 향상시킬 수 있는 진폭 변조가 아닌 편광변조 방법이 대두 되고 있다.

따라서 액정의 비등방성과 특정 전압과 주파수에서 유전율 이방성이 변하는 액정(dual frequency 액정)을 이용한 빛의 편광변조 방식은 광통신 분야뿐만 아니라 여러 분야에서 충분히 응용이 가능하고 편광 변조를 위한 셀의 제작 공정을 쉽 게 할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기술로 현재 사용되는 편광변조 방식과 상이하며, dual frequency 액정을 사용하고 수평전기장을 이용하여 인가된 전압과 주파에서 따른 빛의 편광상태를 변조시키는 소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 dual frequency 액정을 수평배향시키고 수평전기장을 이용하여 인가된 전압과 주파수에 따른 액정 방향자의 재배열을 통해 입사된 빛의 편광 상태를 변조하는 장치를 제안한다.

특히 상기 장치는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용함으로써 특정 전압과 주파수에서 액정이 양 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 따라서 양의 유전율 이방성을 가질 때는 전압의 인가에 따라 액정의 광축이 초기 45°방향에서 0°방향으로 이동하게 되고 음의 유전율 이방성을 가질 때는 전압의 인가에 따라서 액정의 광축이 45°방향에서 90°방향으로 이동한다. 이로써 액정의 광축이 특정 주파수와 전압인가에 따라서 변함에 따라서 λ/2(m+1)의 값을 가지는 위상지연차를 가질 수 있다. 또한 액정의 광축이 0°와 90°가 되지 않고 45°와 0°사이와 45°와 90°사이에 액정 광축이 위치하게 되면 입사된 선편광 또는 원편광은 타원편광이 되며 전압인가에 따라서 타원편광의 주축이 변화될 수 있다.

- 실시예 1 -

실시예 1은 수평전극 구조를 갖으며 dual frequency 액정이 특정 전압과 주파수에서 유전율 이방성이 양이 될 때와 유전율 이방성이 음이 될 때 셀이 λ/4와 λ/2의 위상지연차을 가지게 하여 편광상태를 변조하는 장치이다. 이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평전기장을 기반으로 dual frequency 액정을 이용한 편광 변조 장치 단면도로 초기 액정의 배열 상태를 나타낸다.

도시한 바와 같이, 상부기판과 하부기판은 각각 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5)이 존재한다. 하부 유리 기판(5) 상부에는 절연체(4)가 놓여 있으며, 절연체(4) 상부에는 수평전기장이 인가될 수 있도록 전극을 위치하며 투명 전극(3) 또는 불투명 전극이 놓여져 있다. 전극(3)의 구조는 수평전기장을 이용할 수 있는 모든 전극 패턴이 사용될 수 있고 전극의 폭(w)과 전극과 전극간 간격(l)과 셀갭은 장치에 따라서 유동적으로 조절할 수 있다. 전극(3) 상부에는 인가된 전압과 주파수에 따라서 유전율 이방성이 변하는 dual frequency 액정(2)이 y축(7)에 대해서 초기에 45°방향으로 일정하게 배열한다.

도 2는 dual frequency 액정에 인가된 특정 전압과 주파수에 따라 유전율 이방성이 변함에 따른 액정 방향자의 이동을 나타내는 평면도이다. 러빙 방향은 y축에 대해 45°틀어진 방향이며 초기 액정 방향자(1)의 광축은 45°방향이며 특정 전압과 주파수에서는 양의 유전율 이방성을 가지고 전압 인가에 따라서 y축 방향으로 φ의 각을 가지고 액정의 방향자(2)가 회전하게 된다. 또 다른 특정 전압과 주파수 에서는 음의 유전율 이방성을 가지고 전압인가에 따라서 x축 방향으로 φ의 각을 가지고 액정 방향자(3)가 회전하게 된다.

도 3a는 도 1에서 액정 셀의 액정분자들이 φ=±45°로 재배열할 때 λ/2의 위상 지연차를 가지며 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛(1)이 셀에 입사되면 ±2φ만큼의 ±90°가 틀어진 선편광이 되며, 좌원편광된 빛(2)이 셀에 입사되면 우원편광된 빛이 되고, 타원편광된 빛(3)이 입사되면 타원축을 중심으로 ±90°틀어진 타원편광된 빛이 된다.

도 3b는 도 1에서 액정 셀의 액정 분자들이 φ<±45°로 재배열할 때 λ/2보다 작은 위상지연차를 가지며 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛이 셀에 입사되면 ±2φ만큼 틀어지지 않는 타원편광된 빛이 된다. 그리고 전압인가에 따라서 액정의 광축이 변하면서 타원편광의 주축이 틀어질 수 있다.

도 4는 도 1에서 액정 셀의 액정분자들이 λ/4의 위상지연차를 가질 때 편광상태가 변하는 편광 변화도이다. 선편광된 빛이 셀에 입사되면 원편광된 빛이 된다(1). 원편광된 빛이 셀에 입사되면 선편광된 빛이 된다(2).

- 실시예 2 -

본 발명의 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예 와는 달리 액정 셀 하부에 패턴되어 있는 전극을 사용하지 않고 액정 셀에 고분자 벽을 만들고 그 벽에 전극을 코팅하여 수평전기장이 액정 셀에 완벽하게 인가되도록 설계한 편광변조 장치이다. 이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정 셀 하부에 전극이 패턴 되어 있지 않고 셀의 좌우에 전극이 존재하며 dual frequency 액정을 이용하여 인가된 전압과 주파수에 따라 편광상태를 변조시키는 편광변조장치 단면도이다. 도시한 바와 같이 상부기판은 상부 유리기판(1)이 위치하고 있다. 하부 기판은 하부 유리기판(5)이 위치하며, 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5) 사이의 양쪽에는 고분자를 이용한 벽(2)이 위치한다. 양쪽의 고분자 벽(2) 에는 전극(3)이 코팅된다. 전극(3)은 투명 또는 불투명 전극이 사용된다. 또는 고분자벽과 전극을 대신해서 전도성 고분자로 벽을 형성할 수 있다. 전극과 전극 사이의 간격과 셀갭은 장치에 따라서 유동적으로 조절할 수 있다. 상부 유리기판(1)과 하부 유리기판(5) 사이에는 dual frequency 액정(4)이 위치하며 45°방향으로 러빙을 한다.

본 발명에 따른 편광 변조 장치를 이용함으로써, 제조상의 복잡함을 없애고, dual frequency 액정과 수평전기장을 이용하여 간편하게 입사된 빛의 편광상태를 변조시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 동작하는 본 발명은, 다중 채널 광통신망에서 진폭변조가 아닌 편광 변조를 수행함으로써 주파수의 선택의 폭을 넓게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 상부 유리 기판과;

   상기 상부 유리 기판의 하부에 dual frequency 액정 층이 전극에 45°방향으로 러빙되며;

   상기 액정 층 하부에 수평전기장이 발생하도록 수평전극이 위치하며;

   상기 수평전극 하부에 위치한 절연층과;

   상기 절연층 하부에 위치한 유리기판과;

   상기 유리기판 하부에 위치한 편광판의 투과축과 액정의 광축이 수평 또는 수직을 이루는 편광판과;

   상기 구조에서 하부에 위치한 편광판을 포함하는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치와;

   투명 또는 불투명 전극이 모두 사용되는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 편광판은 위치하지 않고 입사되는 빛이 액정의 광축과 수평 또는 수직으로 선편광된 빛과 원편광 또는 타원편광된 빛이 입사되는 편광 변조장치.
3. 상부 유리 기판과;

   상기 상부 유리 기판의 하부에 dual frequency 액정 층이 전극에 45°방향으로 러빙되며;

   상기 액정 층 하부에 위치한 유리기판과;

   상기 상하부 유리기판 사이에 고분자벽이 있고 그 고분자벽에 코팅된 전극과;

   상기 유리기판 하부에 위치한 편광판의 투과축과 액정의 광축이 수평 또는 수직을 이루는 편광판과;

   상기 구조에서 하부에 위치한 편광판을 포함하는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치와;

   투명 또는 불투명 전극이 모두 사용되는 dual frequency 액정과 수평전기장을 이용한 편광 변조장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 편광판은 위치하지 않고 입사되는 빛이 액정의 광축과 수평 또는 수직으로 선편광된 빛과 원편광 또는 타원편광된 빛이 입사되는 편광 변조장치.

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